深圳东宝河新安特大桥设计与创新

代 亮，陈宜言，陶慕轩

（1.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 5 18029；2.清华大学，北京市 1 00084）

深圳东宝河新安特大桥设计与创新

代 亮1，陈宜言1，陶慕轩2

（1.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 5 18029；2.清华大学，北京市 1 00084）

受规划道路红线、500kV高压走廊等因素制约，同时满足桥下通航及防洪要求，东宝河新安特大桥主桥跨径布置为88 m+156 m+88 m，上部结构采用波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁。为解决中墩处箱梁混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和连接件设计等难点问题，创造性地将中跨跨中区段下翼缘混凝土底板替换为抗拉性能较好的钢板，有效减轻自重，优化结构受力并解决底板开裂问题。钢底板与混凝土底板之间设置过渡结合段，通过焊钉和开孔板结合。为研究跨中钢底板组合箱梁受力性能，进行了模型试验和有限元数值分析，结果表明设计合理、可靠。

波形钢腹板；组合结构；混合梁

1 工程概况

东宝河新安大桥为跨市界道路桥梁工程，连接深圳市沙井街道和东莞市长安镇，是深莞惠三市衔接道路的8个国省干道项目之一，承担中短距离通过性交通和沙井与长安之间的城市区域交通功能。该项目的实施对贯彻落实《珠江三角洲地区改革发展规划纲要》和加快深莞两地交通一体化建设、提高区域合作水平等具有重要意义。

东宝河新安大桥西接长安镇建安路，东接沙井新和路，道路全长1.45 km，其中桥梁总长1.04 km，分为深圳段引桥及道路、主桥、东莞段引桥及道路三段建设。主线双向6车道，辅道为双向4车道，道路红线宽度66～75 m。工程实施受规划道路红线、500 kV高压走廊、IV级航道、两侧建筑物及桥梁纵坡等因素制约。建安路中的高压铁塔塔基与现状道路边线约1.5 m，新和路北侧的高压铁塔塔基与现状道路边线约5.0 m。按照规范要求，高压铁塔外导线与公路之间的水平净距≥8.0 m，净空≥14 m。

主桥跨越东宝河，大桥桥址河段两岸堤防之间的距离约为180 m，现状两侧滩地较宽，通航水域河槽宽度约100 m。桥梁线位与水流主流方向斜交角度约45°，河道远期规划为内河IV级航道，根据通航净空尺度和技术要求论证及通航安全评估，拟建大桥桥墩不宜布置在通航水域内。要求承台净距≥147 m，投影尺寸≥94 m，同时满足《内河通航标准》中航净空尺度净高≥8 m、侧高≥5 m的要求。

桥址场地原始地貌为海冲积平原，微风化岩顶板埋深在31.80～58.00 m，埋藏较深，起伏较大，桩基础按嵌岩桩设计，持力层采用微风化混合岩，单轴饱和抗压强度标准值25 MPa。

2 主要技术标准

（1）设计基准期：100 a。

（2）设计安全等级：一级，结构重要性系数γ=1.1。

（3）环境类别：上部结构为Ⅰ类环境，下部结构为Ⅱ类环境。

（4）道路等级：城市主干道-I级。

（5）设计行车速度：主线60 km/h，辅道30 km/h。

（6）桥下净空：IV级正交通航（单孔）净高≥8.0 m，净宽≥90 m；车行道≥5.0 m。

（7）最高通航水位3.54 m，设计洪水频率1/300，洪水位5.786 m（黄海高程）。

（8）汽车荷载：城-A级；人行荷载标准值4.2 kN/m2。

（9）桥面纵、横坡：主桥纵坡为0.5%～3.71%；主桥横坡为1.5%，人行道横坡为2%。

（10）地震作用：抗震设防烈度七度，地震动峰值加速度为0.10 g。

（11）船舶撞击作用：横桥向撞击作用标准值550 kN；顺桥向撞击作用450 kN。

3 结构设计

为满足桥下通航及防洪要求，主桥采用一跨跨过可通航水域的桥型布置方式，通航孔两侧的桥墩布置在河道的边滩上，主桥跨径布置为88 m+ 156 m+88 m，桥梁横向布置为双幅桥，单幅桥宽16.25 m。上部结构采用波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，下部采用柱径为6 m的独柱式空心圆柱墩，承台群桩基础。桥型总体布置如图1、图2所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

图2 桥位平面图(单位：cm)

波形钢腹板PC组合箱梁是在普通预应力混凝土箱梁基础上演变出来的组合结构，它是由混凝土顶底板、波形钢腹板、横隔板、体内外预应力钢筋等构成[1]。与预应力混凝土箱梁比较，将混凝土腹板置换成波形钢腹板后，抗弯刚度、剪切刚度和抗扭刚度都不同程度地减小了[2]，因此，波形钢腹板PC组合箱梁对立面布置、体外索及其横隔板的布置要求也与常规混凝土箱梁不同。

东宝河特大桥上部结构为三跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，单幅箱梁采用单箱单室断面，梁体美观，线形流畅。箱梁采用C60混凝土和Q345qC钢板。受通航及高压线限制，箱梁中支点梁高8.3 m（为主跨跨度的1/18.8），按1.6次抛物线过渡到跨中梁高为3.5 m（为主跨跨度的1/44.6），梁高较常规波形钢腹板PC组合箱梁桥偏低。每幅箱梁全宽16.25 m，箱室宽度8.0 m，箱梁外侧悬挑4.125 m，箱梁顶板厚35 cm，墩顶局部加厚至65 cm，底板厚30～90.8 cm，墩处局部加厚至160 cm。

为了保持较大的抗扭刚度并兼做体外索转向块使用，不仅要在支座处设置横隔梁，同时也要在跨径内适当布置横隔板。该桥箱内横隔板间距约20 m，中跨设了6道横隔板，边跨设了3道横隔板，横隔板厚0.5 m。

该桥设计除端横隔及根部墩上0#和1#块腹板分别采用了混凝土腹板及钢-混凝土组合腹板外，其他节段腹板均为波形钢腹板，钢板厚10～34 mm，其形状按1600型采用。波形钢腹板与顶底板混凝土之间的连接，主要作用在于传递桥轴方向的剪力，是确保波形钢腹板与混凝土顶底板共同受力的关键构造[1，2]。因该桥箱梁较宽，为确保连接的可靠性，参考国内外波形钢腹板桥设计经验，波形钢腹板与混凝土顶板的连接采用波形钢腹板顶端焊有翼缘板的开孔板连接件，底板连接件采用开孔板+焊钉组合连接件。

波形钢腹板PC组合箱梁桥纵向预应力钢束分为体内束和体外束两种。体内束主要用于承担一期恒载及施工时的临时荷载，体外束则用于承担二期恒载及运营阶段的活载。该桥体内预应力钢束采用单股直径φ215.2 mm的高强低松弛钢绞线。体外索采用多根环氧涂层钢绞线经扭绞并热挤HDPE护套的ES3型索体，具有优异的防腐性能。同时为防止体外束在转向的时候钢绞线相互挤压而造成预应力损失及HDPE护套的损坏，设计采用双层式转向器。锚具采用可调可换式体外束专用夹片式锚具，体外束于全桥合拢后张拉，待二期恒载施工后再次调整张拉力，以使梁的受力达到最佳状态。

该桥采用节段悬浇施工方法，由于波形钢腹板PC组合箱梁较混凝土腹板箱梁轻，标准节段长度取4.8 m，较普通混凝土箱梁节段长，全桥减少节段数量20%～30%，同时在施工中省去了腹板的绑扎钢筋等复杂工作，减少了大量的支架、模板和混凝土浇筑过程，挂篮轻便，有利于加快施工进度。全桥共设置60个悬浇节段，每个中墩顶1个托架现浇段，每端横梁设置1个支架现浇段，全桥设3对合拢段。

4 优化设计及创新

4.1设计难题及优化

虽然波形钢腹板组合箱梁桥在我国已得到推广应用，但大跨度连续梁桥的设计和施工经验还不够丰富。由于大跨径连续梁悬臂法施工时，中墩处负弯矩和剪力均较大，中墩处箱梁混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和连接件设计等成为设计难点问题。该桥由于受通航及高压线限制，箱梁根部梁高偏低（高跨比1/18.8），上述问题更加突出。该桥初步设计时采用传统设计方法拟定截面尺寸，选择连接件形式，确定混凝土标号和波形钢腹板厚度等参数。传统的波形钢腹板组合箱梁下翼缘为混凝土结构，吊挂于梁底，混凝土抗拉性能较差，当用于跨中节段时，自重偏大，同时施工复杂。因此，运用组合结构原理，合理发挥材料的优势，该桥创造性地在中跨跨中区段将下翼缘混凝土板替换为抗拉性能较好的钢板，有效减轻自重，优化结构受力并解决底板开裂问题。图3为优化方案示意。

图3 优化方案示意图（单位：cm）

根据波形钢腹板组合梁的空间受力特点，采用杆系有限元模型和实体精细有限元模型对东宝河新安大桥进行全过程模拟分析，将原方案和优化方案进行对比，结果见表1，优化效果显著。

表1 主要指标对比表

对比原方案与优化方案主要设计指标，由于在中跨跨中区段箱梁下翼缘使用钢板替换原混凝土板，跨中正弯矩区减轻重量268 t，减轻比例约23%，中墩处最大负弯矩和最大剪力分别降低24%和19%。创新性的设计方案将该桥的设计难度大大降低，较好解决了该桥的设计难点。中墩处顶板混凝土应力由原设计的0.9 MPa拉应力改善为1.5 MPa的压应力，解决了该处混凝土的抗裂问题，提高了结构耐久性。中墩处底板混凝土压应力最大值原方案约为18 MPa，接近正常使用极限状态下C60混凝土最大压应力允许值（0.5 fck=19.25 MPa），优化后为15.1 MPa，可采用C50混凝土。0#块波形钢腹板厚度根据原方案设计时采用34 mm，优化后可用28 mm，节约材料，方便钢板加工和安装。波形钢腹板与混凝土顶底板的连接件设计安全系数由原方案的1.1提高到1.35。

4.2 模型试验

为检验现有设计方案下钢底板组合梁的承载力和延性，全面考察其安全性，同时与传统构造形式波形钢腹板PC组合箱梁的抗弯和抗剪性能进行对比，选取跨中典型节段进行缩尺模型试验（见图4）。试验缩尺比例取为1∶10，模型节段长度取为6 m，缩尺后截面高度为350 mm，高跨比1/17。

图4 波形钢腹板组合箱梁模型试验

通过模型试验和数值分析，结论如下：（1）钢底板组合梁能很好地发挥材料性能，相比传统截面组合梁具有更高的极限承载力。（2）钢底板组合梁初始刚度与传统截面组合梁相当，刚度不会因混凝土开裂而下降，且无需考虑裂缝控制的难题。（3）钢底板组合梁的截面正应变分布与传统截面组合梁类似：顶板呈一平截面，钢底板与靠近钢底板的一小部分腹板呈一平截面，其余部分应变几乎为0。（4）钢底板组合梁与传统截面组合梁的剪应力均在同一截面不同高度均匀分布。（5）钢底板组合梁预应力筋内力随挠度几乎为线性增长。采用钢底板组合梁预应力筋内力增量远远小于传统截面组合梁，计算极限承载力时可较保守地直接取张拉控制应力作为极限状态下预应力筋的应力。

5 结语

多年的工程建设实践表明，普通预应力混凝土连续箱梁桥存在两类工程病害，即梁根部腹板开裂和跨中持续下挠。究其原因在于箱梁自重内力占设计内力比重过大，混凝土腹板抗剪、抗拉强度不足，而波形钢腹板PC组合箱梁桥用抗剪性能较好的钢板代替混凝土腹板，并实现了主梁的轻型化，增大了梁桥的跨越能力，有针对性地改善了预应力混凝土箱梁的上述两项弊病。同时，波形钢板具有剪切屈曲强度高、不抵抗纵向轴向力的特点，提高了预应力的效率；另外，省去了腹板的绑扎钢筋等复杂工作，从而方便了施工，缩短了工期，降低了成本[1，2]。

东宝河新安特大桥，在常规波形钢腹板箱梁桥的基础上，将中跨跨中底板采用钢结构代替混凝土，充分利用材料特性，降低结构自重，降低墩顶负弯矩和剪力，具有新颖性和创造性。该项目设计的创新证明，我国大跨度波形钢腹板PC组合连续梁桥具备了设计主跨达到200m的技术条件和实施能力，这将是该类桥梁跨径上的突破。

[1]陈宜言.波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2]刘玉擎，陈艾荣.组合折腹桥梁设计模式指南[M].北京：人民交通出版社,2015.

[3]DB 44/T 1393-2014,波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程[S].

[4]DB 41/T 643-2010,公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范[S].

[5]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

U442.5

B

1009-7716（2017）01-0055-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.015

2016-10-10

代亮（1984-），男，安徽阜阳人，硕士，高级工程师，从事桥梁设计与研究工作。